靈感源于骨骼，科學(xué)家利用立體光刻技術(shù)開(kāi)發(fā)出可調(diào)整剛度的輕質(zhì)材料

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據(jù)New Atlas報(bào)道，科學(xué)家們?cè)谘芯肯乱淮牧蠒r(shí)經(jīng)常從大自然中尋求靈感，一個(gè)研究骨骼和木材的多孔微結(jié)構(gòu)的工程師小組想出了一個(gè)巧妙的生物模仿例子，具有廣泛的潛力。這種輕質(zhì)的新材料充滿了小孔，可以在外科植入物和飛機(jī)中找到應(yīng)用，以便在受力區(qū)域提供高程度的剛度。

這種新材料的設(shè)計(jì)是由普林斯頓大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的研究人員構(gòu)思的，其特點(diǎn)是所謂的spinodal微結(jié)構(gòu)。這些網(wǎng)狀的微孔是以骨、動(dòng)物角和木材等天然材料中發(fā)現(xiàn)的不同類型的孔為模型，這些孔具有不同的形狀，如柱子、鉆石或球體，以獲得最佳性能。結(jié)構(gòu)中的孔的方向、大小和形狀可以被微調(diào)，以提供特定方向的硬度，例如，或控制材料的密度或重量。

佐治亞理工學(xué)院的研究生、這項(xiàng)新研究的第一作者Fernando Vasconcelos da Senhora說(shuō)：“你有實(shí)際的結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)一起工作來(lái)獲得卓越的性能。”

研究人員通過(guò)設(shè)計(jì)和3D打印一個(gè)由光聚合物樹(shù)脂制成的面部植入物原型來(lái)證明這些材料的潛力。該植入物具有精心設(shè)計(jì)的柱子和扁豆形狀的孔，其硬度足以承受咀嚼的力量，而孔的大小也能通過(guò)促進(jìn)體液的流動(dòng)來(lái)促進(jìn)骨骼的生長(zhǎng)和愈合。

據(jù)科學(xué)家們說(shuō)，由于幾何形狀可以被如此精細(xì)地調(diào)整，這些植入物可以由許多不同的材料制成。在另一個(gè)例子中，他們用自旋微結(jié)構(gòu)作為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)支架的基礎(chǔ)，該支架將發(fā)動(dòng)機(jī)固定在飛機(jī)上。然而，對(duì)于人體的植入物，生物安全材料將是明顯的選擇。

“更好的不是基礎(chǔ)材料。更好的是微觀特征?！惫餐髡?、佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程系助理教授Emily Sanders說(shuō)：“理論上，我們可以用任何材料制作支架--最合適的是探索生物相容性材料。”

研究人員說(shuō)，這些被他們稱之為結(jié)構(gòu)化材料的創(chuàng)造物的潛力在于它們?cè)谝粋€(gè)物體中不同類型的微結(jié)構(gòu)之間無(wú)縫過(guò)渡的方式。這使得它們不太可能有弱點(diǎn)，同時(shí)允許對(duì)剛度和其他特性進(jìn)行微調(diào)。

該項(xiàng)目的主要研究人員Glaucio Paulino說(shuō)：“我們擁有一種相當(dāng)強(qiáng)大的技術(shù)，因?yàn)樗鼘⒉牧辖Y(jié)構(gòu)與不同規(guī)模的優(yōu)化結(jié)合起來(lái)，并與增材制造結(jié)合起來(lái)。從規(guī)模化的意義上說(shuō)，它可以有廣泛的應(yīng)用，因此它可以應(yīng)用于納米和微觀技術(shù)，以及中尺度和宏觀尺度?！?br />
該研究以題為“Optimally-Tailored Spinodal Architected Materials for Multiscale Design and Manufacturing”的論文發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109304